Modello di tenuta della flangia bullonata, senza guarnizione, mediante l’analogia della meccanica della frattura di una fessura parzialmente aperta

Abstract

RIASSUNTO. I compressori centrifughi di elevate dimensioni non permettono l'utilizzo di guarnizioni deformabili, per cui le due metà della flangia di connessione sono forzate mediante bullonatura e la tenuta è affidata al contatto completo delle due superfici. La previsione della pressione di perdita è un aspetto di progetto di notevole interesse per questa tecnologia. L'azione della pressione interna sollecita la separazione delle superfici della flangia, che invece è contrastata dall'azione di serraggio dei bulloni. Il presente lavoro propone un modello per prevedere la condizione di perdita, basato sulla meccanica della frattura. Dato che le due superfici della flangia sono semplicemente a contatto, esse costituiscono una vera e propria fessura parzialmente aperta. Come ben noto il fattore di intensificazione di una fessura parzialmente aperta è nullo. Imponendo che le due superfici siano parzialmente separate ad una distanza fino al bordo del foro del bullone (che offre un canale di fuoriuscita per il fluido in pressione), e imponendo la condizione di fattore di intensificazione nullo, è possibile determinare la pressione di perdita, analiticamente, mediante la tecnica delle "weight functions" (o "funzioni peso"). Il presente lavoro riporta una positiva validazione del modello proposto mediante sia simulazione numerica sia risultati sperimentali in piena scala e in scala ridotta. Il modello analitico proposto offre uno strumento di progetto di immediata implementazione per comparare diverse geometrie di flangia bullonata.ABSTRACT. The use of a gasket made in soft material is not recommended for large size centrifugal compressor case flanges. The two case halves are assembled with bolted flanges and the leakage is prevented by the "metalto-metal" contact of the flange surfaces. The prediction of the leakage condition is an important engineering challenge for this technology. A new model to predict the leakage condition, based on Fracture Mechanics, is here presented. The partially open flange surfaces interface can be regarded as a partially open crack. The Stress Intensity Factor of a partially open crack is zero, since the flange surfaces can not transfer tensile traction, being just in contact (not "glue" or "welded"). The extension of the open zone, i.e. the crack length, can be obtained imposing the zero Stress Intensity Factor condition. The leakage is expected as the flange surface open front reaches the bolt hole, that produces a way out path for the internal pressurized fluid. By means of the weight functions analytical technique, the leakage pressure can be calculated. The proposed model was then successfully validated by means of both numerical simulations and full scale and small scale experimental tests. The proposed analytical model can be used to compare different flange geometries and then it is a useful design tool. PAROLE CHIAVE. Tenuta. Flangia bullonata. Meccanica della frattura. Fessura parzialmente aperta.